eda數(shù)字時(shí)鐘設(shè)計(jì)報(bào)告

數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)學(xué)院信息與控制工程學(xué)院專業(yè)電子信息工程學(xué)號080640121學(xué)生姓名伍建琪學(xué)生姓名：伍建琪指導(dǎo)老師：魏蕊摘要系統(tǒng)使用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)了數(shù)字鐘，采用硬件描述語言VHDL按模塊化方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行編程，時(shí)序仿真等。利用VHDL語言完成了數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)。該數(shù)字鐘能實(shí)現(xiàn)時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)的顯示功能，且以12小時(shí)循環(huán)計(jì)時(shí)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，功能齊全，精度高。關(guān)鍵字?jǐn)?shù)字鐘；EDA；VHDL；目錄1引言 31.1課題的背景、目的 41.2設(shè)計(jì)的內(nèi)容 42EDA、VHDL簡介 42.1EDA技術(shù) 42.2硬件描述語言——VHDL 53數(shù)字鐘設(shè)計(jì) 53.1總體結(jié)構(gòu) 53.2電路的工作原理圖 64數(shù)字鐘設(shè)計(jì) 64.1晶體振蕩器 64.2分頻器電路 74.3時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器電路 84.4顯示電路 125系統(tǒng)仿真 135.1秒計(jì)數(shù)器電路仿真圖 145.2分計(jì)數(shù)器電路仿真圖 145.3小時(shí)計(jì)數(shù)器電路仿真圖 155.4結(jié)果仿真 166結(jié)論及結(jié)束語 166.2結(jié)論 166.2結(jié)束語 17致謝 18參考文獻(xiàn) 181引言隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也在不斷的進(jìn)步。特別是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，可以說是日新月異，數(shù)字鐘作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)組成也隨之逐漸進(jìn)入人們的生活，從先前的采用半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鐘到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的采用高集成度芯片實(shí)現(xiàn)的數(shù)字鐘。數(shù)字鐘正在向著功能強(qiáng)，體積小，重量輕等方向不斷發(fā)展，本設(shè)計(jì)主要介紹的是一個(gè)基于超高速硬件描述語言VHDL對數(shù)字鐘中顯示電路進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。近年來，集成電路和計(jì)算機(jī)應(yīng)用得到了高速發(fā)展，現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)已邁入一個(gè)嶄新的階段，具體表現(xiàn)在：（1）電子器件及其技術(shù)的發(fā)展將更多地趨向于為EDA服務(wù)；（2）硬件電路與軟件設(shè)計(jì)過程已高度滲透；（3）電子設(shè)計(jì)技術(shù)將歸結(jié)為更加標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的EDA工具和硬件描述語言VHDL的運(yùn)用；（4）數(shù)字系統(tǒng)的芯片化實(shí)現(xiàn)手段已成主流。因此利用計(jì)算機(jī)和大規(guī)模復(fù)雜可編程邏輯器件進(jìn)行現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為電子工程類技術(shù)人員必不可少的基本技能之一。1.1課題的背景、目的本次設(shè)計(jì)的目的就是在掌握EDA實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)的初步使用基礎(chǔ)上，了解EDA技術(shù)，加深對計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的理解。通過學(xué)習(xí)的VHDL語言結(jié)合電子電路的設(shè)計(jì)知識理論聯(lián)系實(shí)際，掌握所學(xué)的課程知識，學(xué)習(xí)VHDL基本單元電路的綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用。通過對實(shí)用數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)，鞏固和綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)原理的基本理論和方法，理論聯(lián)系實(shí)際，提高IC設(shè)計(jì)能力，提高分析、解決計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)際問題的獨(dú)立工作能力。通過課程設(shè)計(jì)深入理解計(jì)算機(jī)的組成原理，達(dá)到課程設(shè)計(jì)的目標(biāo)。1.2設(shè)計(jì)的內(nèi)容利用VHDL設(shè)計(jì)數(shù)字鐘顯示電路的各個(gè)模塊，并使用EDA工具對各模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證。數(shù)字鐘顯示電路的設(shè)計(jì)分為下面幾個(gè)模塊：秒計(jì)數(shù)模塊、分計(jì)數(shù)模塊、小時(shí)計(jì)數(shù)模塊.。完成以后把各個(gè)模塊整合后，顯示相應(yīng)的輸出狀態(tài)。2EDA、VHDL簡介2.1EDA技術(shù)EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（ElectronicDesignAutomation）縮寫，EDA是以計(jì)算機(jī)為工具，根據(jù)硬件描述語言HDL（HardwareDescriptionlanguage）完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優(yōu)化、布局布線、仿真以及對于特定目標(biāo)芯片的適配編譯和編程下載等工作。典型的EDA工具中必須包含兩個(gè)特殊的軟件包，即綜合器和適配器。綜合器的功能就是將設(shè)計(jì)者在EDA平臺上完成的針對某個(gè)系統(tǒng)項(xiàng)目的HDL、原理圖或狀態(tài)圖形描述，針對給定的硬件系統(tǒng)組件，進(jìn)行編譯、優(yōu)化、轉(zhuǎn)換和綜合，最終獲得我們欲實(shí)現(xiàn)功能的描述文件。綜合器在工作前，必須給定所要實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)，它的功能就是將軟件描述與給定的硬件結(jié)構(gòu)用一定的方式聯(lián)系起來。2.2硬件描述語言——VHDLVHDL語言的特點(diǎn)1.用VHDL代碼而不是用原理圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，意味著整個(gè)電路板的模型及性能可用計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行驗(yàn)證。2.VHDL元件的設(shè)計(jì)與工藝u無關(guān)，與工藝獨(dú)立，方便工藝轉(zhuǎn)換。3.VHDL支持各種設(shè)計(jì)方法，自頂向下、自底向上或者混合的都可以。4.可以進(jìn)行從系統(tǒng)級到邏輯級的描述，即混合描述。5.VHDL區(qū)別于其他的HDL，已形成標(biāo)準(zhǔn)，其代碼在不同的系統(tǒng)中可交換建模。3數(shù)字鐘設(shè)計(jì)3.1總體結(jié)構(gòu)整個(gè)電路有三大主體結(jié)構(gòu)：1）控制電路，2）脈沖電路，3）功能電路時(shí)鐘電路首先要有輸入脈沖，由于平臺提供了脈沖發(fā)生器，就省去了脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)，這里我們只需要設(shè)計(jì)一個(gè)分頻器，得到我們需要的頻率。時(shí)鐘的計(jì)時(shí)范圍是00:00：00——11:59:59,所以我們需要設(shè)計(jì)模六十和模十二的計(jì)數(shù)器組成時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路。為了顯示當(dāng)前時(shí)鐘時(shí)間，我們需要一個(gè)顯示電路。另外清零電路只需輸入一些控制信號給時(shí)鐘計(jì)時(shí)電路即可。通過以上分析我們可以得到以下框圖： 時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器時(shí)顯示器分顯示器秒顯示器時(shí)譯碼器分譯碼器秒譯碼器時(shí)譯碼器分譯碼器秒譯碼器分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器時(shí)計(jì)數(shù)分計(jì)數(shù)器秒計(jì)數(shù)器時(shí)計(jì)數(shù)器脈沖分頻脈沖分頻器 3.2數(shù)字時(shí)鐘電路的工作原理時(shí)標(biāo)信號的頻率由振蕩器產(chǎn)生，由于及時(shí)最小單位是0.1s，所以時(shí)標(biāo)信號經(jīng)分頻器后輸出頻率為10Hz的秒脈沖clk。在無校準(zhǔn)信號作用時(shí)，整個(gè)電路處于正常的計(jì)數(shù)狀態(tài)。時(shí)，分，秒計(jì)數(shù)器采用同步計(jì)數(shù)方式，其時(shí)鐘脈沖端均接由分頻器輸出地時(shí)鐘信號clk。en為計(jì)數(shù)使能端，高電平有效。秒計(jì)數(shù)的端en始終為高電平，所以每來一個(gè)秒脈沖clk，秒計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)，當(dāng)秒計(jì)數(shù)器到六十時(shí)，其進(jìn)位輸出端co輸出高電平產(chǎn)生進(jìn)位，使分計(jì)數(shù)器的使能端en有效，每來一個(gè)分脈沖clk，分計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)，這就意味著滿60s進(jìn)1min;當(dāng)秒計(jì)數(shù)器和分計(jì)數(shù)器到60，其相應(yīng)的秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位co和分計(jì)數(shù)器的進(jìn)位co同時(shí)輸出高電平使小時(shí)計(jì)數(shù)器的使能端en有效時(shí)，每來一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，小時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)一個(gè)數(shù)。4各子模塊的設(shè)計(jì)原理4.1晶體振蕩器晶體振蕩電路是構(gòu)成數(shù)字式時(shí)鐘的核心，它保證了時(shí)鐘走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。晶體振蕩器它的作用是產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號。數(shù)字鐘的精度主要取決于時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率及其穩(wěn)定度。因此，一般采用石英晶體振蕩器經(jīng)過分頻得到這一信號。晶體振蕩器電路給數(shù)字鐘提供一個(gè)頻率穩(wěn)定準(zhǔn)確的1Khz的方波信號，可保證數(shù)字鐘的走時(shí)準(zhǔn)確及穩(wěn)定。不管是指針式的電子鐘還是數(shù)字顯示的電子鐘都使用了晶體振蕩器電路。如圖4.1所示晶體振蕩電路框圖。圖4.1晶體振蕩電路4.2分頻器電路分頻器是一種十分應(yīng)用十分廣泛的基本電路。涉及具體的數(shù)字電路時(shí)，可能需要多種不同頻率的時(shí)鐘，但實(shí)際電路往往只需要一種單一頻率的外部時(shí)鐘輸入，此時(shí)可通過分頻電路得到所需時(shí)鐘頻率。本實(shí)驗(yàn)分頻器電路將1Khz的高頻方波信號經(jīng)100次分頻后得到10Hz的方波信號供秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，分頻器實(shí)際上也就是計(jì)數(shù)器。電路代碼如下：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;entityfenis port(clk:instd_logic; q:outstd_logic);endfen;architecturefen_arcoffenisbegin process(clk) variablecnt:integerrange49downto0; variablex:std_logic; begin ifclk'eventandclk='1'then ifcnt<49then cnt:=cnt+1; else cnt:=0; x:=notx; endif; endif; q<=x; endprocess;endfen_arc;生成邏輯器件：4.3時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器電路（1）原理時(shí)、分、秒計(jì)數(shù)器電路有相似的地方，本實(shí)驗(yàn)都是同文本編寫。十進(jìn)制是調(diào)用軟件自帶芯片。十二進(jìn)制電路代碼如下：LIBRARYIEEE;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;ENTITYWcounter12ISPORT(CLC:INSTD_LOGIC;EN,CLEAR:INSTD_LOGIC;QH:bufferSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);QL:bufferSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);C:OUTSTD_LOGIC);ENDWcounter12;ARCHITECTUREZQ12OFWcounter12ISBEGINC<='1'WHEN((QH="0001")and(QL="0001")and(EN='1'))else'0';PROCESS(CLC,CLEAR)BEGINIF(CLEAR='0')THENQH<="0000";QL<="0000";ELSEIF(CLC'EVENTANDCLC='1')THENIF(EN='1')THENIF((QL<9ANDQH=0)OR(QL<1ANDQH=1))THENQL<=QL+1;ELSEQL<="0000";IF(QH<1)THENQH<=QH+1;ELSEQH<="0000";ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDZQ12;六十進(jìn)制電路代碼如下：libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;ENTITYCOUNTER60ISPORT(CLC:INSTD_LOGIC;EN,CLEAR:INSTD_LOGIC;QH:bufferSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);QL:bufferSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);C:OUTSTD_LOGIC);ENDCOUNTER60;ARCHITECTURECOUNTOFCOUNTER60ISBEGINC<='1'WHEN((QH="0101")and(QL="1001")and(EN='1'))else'0';PROCESS(CLC,CLEAR)BEGINIF(CLEAR='0')THENQH<="0000";QL<="0000";ELSEIF(CLC'EVENTANDCLC='1')THENIF(EN='1')THENIF(QL<9)THENQL<=QL+1;ELSEQL<="0000";IF(QH<5)THENQH<=QH+1;ELSEQH<="0000";ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDCOUNT;（2）生成邏輯器件4.4顯示電路顯示電路程序LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYxianmaguanISPORT(A3,A2,A1,A0:INBIT;Y:OUTBIT_VECTOR(0DOWNTO6));ENDxianmaguan;ARCHITECTUREdateflowOFxianmaguanISSIGNALA:BIT_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINA<=A3&A2&A1&A0;PROCESS(A)BEGINCASEAISWHEN"0000"=>Y<="1111111";WHEN"0001"=>Y<="0110000";WHEN"0010"=>Y<="1101101";WHEN"0011"=>Y<="1111001";WHEN"0100"=>Y<="0110011";WHEN"0101"=>Y<="1011011";WHEN"0110"=>Y<="0011111";WHEN"0111"=>Y<="1110000";WHEN"1000"=>Y<="1111111";WHEN"1001"=>Y<="1110011";WHENOTHERS=>Y<="0000000";ENDCASE;ENDPROCESS;ENDdateflow;(2)LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYwwqiISPORT(A:INBIT_VECTOR(3DOWNTO0);Y:OUTBIT_VECTOR(6DOWNTO0));ENDwwqi;ARCHITECTUREdateflowOFwwqiISBEGINPROCESS(A)BEGINCASEAISWHEN"0000"=>Y<="1111110";WHEN"0001"=>Y<="0110000";WHEN"0010"=>Y<="1101101";WHEN"0011"=>Y<="1111001";WHEN"0100"=>Y<="0110011";WHEN"0101"=>Y<="1011011";WHEN"0110"=>Y<="0011111";WHEN"0111"=>Y<="1110000";WHEN"1000"=>Y<="1111111";WHEN"1001"=>Y<="1110011";WHENOTHERS=>Y<="0000000";ENDCASE;ENDPROCESS;ENDdateflow;生成邏輯器件：(1)(2)5系統(tǒng)仿真5.1秒計(jì)數(shù)器電路仿真圖秒表計(jì)數(shù)器電路仿真圖如圖5.1:將標(biāo)準(zhǔn)秒信號送入“秒計(jì)數(shù)器”，“秒計(jì)數(shù)器”采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60秒發(fā)出一個(gè)“分脈沖”信號，該信號將作為“分計(jì)數(shù)器”的時(shí)鐘脈沖。A端口代表秒輸出：圖5.1秒計(jì)數(shù)器電路仿真圖5.2分計(jì)數(shù)器電路仿真圖分計(jì)數(shù)器電路仿真圖如圖5.3,也采用60進(jìn)制計(jì)數(shù)器，每累計(jì)60分鐘，發(fā)出一個(gè)“時(shí)脈沖”信號，該信號將被送到“時(shí)計(jì)數(shù)器”。B端口代表分鐘輸出：圖5.2分計(jì)數(shù)器電路仿真圖5.3小時(shí)計(jì)數(shù)器電路仿真圖小時(shí)計(jì)數(shù)器電路仿真圖如圖5.3：“時(shí)計(jì)數(shù)器”采用12進(jìn)制計(jì)時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)對12小時(shí)的累計(jì)。每累計(jì)12小時(shí)，發(fā)出一個(gè)脈沖信號圖5.3小時(shí)計(jì)數(shù)器電路仿真圖5.4結(jié)果仿真實(shí)現(xiàn)了數(shù)字時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。5.4結(jié)果仿真6結(jié)論結(jié)束語6.1結(jié)論由上調(diào)試過程可知，該數(shù)字鐘實(shí)現(xiàn)了計(jì)時(shí)、重置時(shí)間、在給數(shù)字鐘重置時(shí)間后，數(shù)字鐘便開始從所置的時(shí)間計(jì)時(shí)，到達(dá)59秒時(shí)，秒計(jì)時(shí)器回到0秒，并且給分鐘加1；當(dāng)?shù)竭_(dá)59分時(shí)，分計(jì)時(shí)器回到0分鐘，并且給小時(shí)加1；當(dāng)?shù)竭_(dá)12小時(shí)時(shí)，時(shí)計(jì)時(shí)器回到0小時(shí)。6.1結(jié)束語通過這次設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深了對EDA的了解，讓我對它有了更加濃厚的興趣。特別是當(dāng)每一個(gè)子模塊編寫調(diào)試成功時(shí)，心里特別的開心。但是在編寫頂層文件的程序時(shí)，遇到了不少問題，特別是各元件之間的連接，以及信號的定義，總是有錯(cuò)誤，在細(xì)心的檢查下，終于找出了錯(cuò)誤和警告，排除困難后，程序編譯就通過了，心里終于舒了一口氣。在波形仿真時(shí)，也遇到了一點(diǎn)困難,想要的結(jié)果不能在波形上得到正確的顯示:在設(shè)定輸入的時(shí)鐘信號后，數(shù)字鐘開始計(jì)數(shù)，但是始終看不到小時(shí)。后來，在數(shù)十次的調(diào)試之后，才發(fā)現(xiàn)是因?yàn)檩斎氲臅r(shí)鐘信號對于小時(shí)比較大而電腦負(fù)荷太大無法得到正確結(jié)果。經(jīng)過屢次調(diào)試，終于找到了比較合適的輸入數(shù)值。另外，Endtime的值需要設(shè)置的長一點(diǎn)：100ms左右，輸入的時(shí)鐘周期值要設(shè)置的短一點(diǎn)：10ns左右。

兩星期的緊張工作，最后完成了我的設(shè)計(jì)任務(wù)——數(shù)字鐘的設(shè)計(jì)。通過本次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，我深深的體會(huì)到設(shè)計(jì)課的重要性和目的性所在。本次設(shè)計(jì)課不僅僅培養(yǎng)了我們實(shí)際操作能力，也培養(yǎng)了我們靈活運(yùn)用課本知識，理論聯(lián)系實(shí)際，獨(dú)立自主的進(jìn)行設(shè)計(jì)的能力。它不僅僅是一個(gè)學(xué)習(xí)新知識新方法的好機(jī)會(huì)，同時(shí)也是對我所學(xué)知識的一次綜合的檢驗(yàn)和復(fù)習(xí)，使我明白了自己的缺陷所在，從而查漏補(bǔ)缺。